Κύματα στην επιφάνεια του νερού.
Η βαθιά τομή ήρθε όταν οι άνθρωποι σταμάτησαν να σκέφτονται τη μέτρηση του χρόνου με βάση τη ροή και στράφηκαν σε συστήματα με περιοδική ή επαναλαμβανόμενη κίνηση. Το να χρησιμοποιείς ένα περιοδικό σύστημα για τη μέτρηση του χρόνου, προϋποθέτει απλά την μέτρηση του αριθμού των ταλαντώσεων ή κύκλων. Ο Christian Huygens (1629-1695) επινόησε πρώτος μια μέθοδο που χρησιμοποιούσε ένα ταλαντούμενο εκκρεμές για να κινεί τους δείκτες ενός ρολογιού. Τα ρολόγια με εκκρεμές δεν είναι αρκετά αξιόπιστα ώστε να ικανοποιούν τις σημερινές υψηλές απαιτήσεις για μετρήσεις ακριβείας του χρόνου. Αλλά οι πιο προηγμένες μέθοδοι χρονομέτρησης στηρίζονται και σήμερα σε μέτρηση κάποιων ταλαντώσεων.

Κύματα στην επιφάνεια του νερού.
Ο πιο απλός τρόπος να μελετήσουμε τα κύματα είναι να κοιτάξουμε τα κύματα στην επιφάνεια του νερού. Αν σταθείτε σε μια παραλία και παρατηρήσετε τα κύματα που έρχονται, σχηματίζετε την εσφαλμένη εντύπωση ότι το νερό κινείται προς εσάς. Αλλά στην πραγματικότητα αν και το κύμα κινείται τα μόρια του νερού μένουν περίπου στο ίδιο σημείο.

Ένα κύμα στο νερό είναι μια ταλάντωση των μορίων πάνω-κάτω, που διαδίδεται προς μια κατεύθυνση γιατί τα κινούμενα μόρια του νερού διεγείρουν σε ταλάντωση και τα γειτονικά τους με μια μικρή καθυστέρηση. Παρατηρείτε ακριβώς το ίδιο φαινόμενο με ένα «Μεξικάνικο κύμα» στην κερκίδα ενός γηπέδου. Ο κάθε θεατής στέκεται στην ίδια θέση αλλά το κύμα ταξιδεύει κάνοντας το γύρο του σταδίου.

Ηχητικά κύματα
Ένα ηχητικό κύμα ξεκινά όταν κάτι ταλαντώνεται. Μπορεί να είναι οι φωνητικές μας χορδές που ξεκινούν την ταλάντωση όταν μιλάμε, ή ένα ραβδάκι που χτυπάει ένα τύμπανο. Η μορφή του κύματος εξαρτάται από τον τρόπο που παράγεται ο ήχος. Ένας πολύ καθαρός ήχος, όπως π.χ μια νότα από ένα διαπασών, παράγει ένα σχεδόν τέλειο αρμονικό κύμα. Μια νότα που παίζεται στο πιάνο είναι στην πραγματικότητα ένα μίγμα από πολλά αρμονικά κύματα και έχει μια πιο ακανόνιστη μορφή.
Η ανθρώπινη αίσθηση έχει μια μεγάλη ικανότητα να ανιχνεύει και να επεξεργάζεται τις ταλαντώσεις που παράγονται από ηχητικά κύματα, ακόμα και όταν αυτές διαρκούν ένα πολύ μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου. Όχι μόνον μπορούμε να διακρίνουμε τη διαφορά μεταξύ των φωνών των φίλων μας, αλλά μπορούμε και να εντοπίσουμε τις πηγές των ήχων ανιχνεύοντας την πολύ μικρή διαφορά χρόνου με την οποία φτάνουν στα δυο αυτιά μας οι ήχοι.

Γενηθήτω φως.
Ο Christian Huygens ήταν αυτός που πρώτος έθεσε την ιδέα ότι το φως είναι κύμα. Η ιδέα αυτή βοήθησε να εξηγηθεί η πειραματική παρατήρηση του Νεύτωνα ότι το λευκό φως που περνούσε μέσα από ένα πρίσμα αναλυόταν σε χρώματα όπως αυτά του ουράνιου τόξου. Ο Huygens σχολίασε ότι τα διαφορετικά χρώματα που συνθέτουν το λευκό φως έχουν διαφορετικά μήκη κύματος και έτσι ελαττώνουν την ταχύτητά τους κατά διαφορετικά ποσά καθώς περνούν μέσα από το γυαλί του πρίσματος.

Στις αρχές του 20ου αιώνα οι φυσικοί παρατήρησαν ότι ηλεκτρόνια μπορούσαν να εκτιναχθούν από το εσωτερικό ορισμένων μετάλλων όταν αυτά φωτίζονταν με κατάλληλο φως. Αλλά για το αν θα βγουν ηλεκτρόνια ή όχι δεν παίζει ρόλο πόσο πολύ φως πέφτει στο μέταλλο, αλλά μόνο το μήκος κύματός του δηλαδή το χρώμα του. Καμιά από τις ιδέες που είχαν για τα κύματα δεν μπορούσε να εξηγήσει το φαινόμενο αυτό (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο).

Εκείνος που τιμήθηκε με Nobel για την εξήγηση που έδωσε στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ήταν ο Albert Einstein. Πρότεινε ότι το φως δεν συμπεριφέρεται ως κύμα αλλά ως κυματοπακέτα φωτεινής ενέργειας που αποκάλεσε φωτόνια. Αυτό δεν σημαίνει ότι το φως δεν συμπεριφέρεται ως κύμα κάτω από άλλες περιστάσεις. Η φύση του φωτός που παρατηρούμε εξαρτάται από το είδος του πειράματος που εκτελούμε. Στα περισσότερα καθημερινά φαινόμενα το φως μας αποκαλύπτεται ως κύμα.

Όλα είναι σχετικά.
Ο Einstein μπορεί να κέρδισε το βραβείο Nobel για την εργασία του πάνω στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αλλά είναι πολύ περισσότερο γνωστός για την ανάπτυξη μιας θεωρίας που ξεπήδησε από τις αναζητήσεις του γύρω από τη φύση του φωτός. Τη θεωρία της Σχετικότητας. Ένα από τα βασικά αξιώματα της θεωρίας της Σχετικότητας είναι η παραδοχή ότι όλοι οι παρατηρητές ανεξάρτητα από το πώς κινούνται οι ίδιοι βλέπουν το φως να ταξιδεύει πάντα με την ίδια ταχύτητα. Επίσης ότι τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως.

Οι αντιλήψεις της Σχετικότητας παίζουν κρίσιμο ρόλο για την κατανόησή μας γύρω από τη φύση του χρόνου. Ο Einstein έδειξε ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι και ότι το μοντέλο του Νεύτωνα για το Σύμπαν δεν είναι παρά μια χρήσιμη προσέγγιση της αλήθειας. Η θεωρία της Σχετικότητας έδειξε ότι ο χρόνος είναι ακόμη μια διάσταση πλάι στις τρεις διαστάσεις του χώρου, και οι τέσσερις μαζί αποτελούν αυτό που αποκαλείται χρονοχώρος. Η θεωρία της Σχετικότητας του Einstein δείχνει ότι η απάντηση στην ερώτηση αν δυο γεγονότα συμβαίνουν συγχρόνως ή όχι εξαρτάται από το ποιος κάνει τη μέτρηση και ιδιαίτερα από το πώς κινείται σε σχέση με τα γεγονότα που μετράει

Φανταστείτε ένα ζευγάρι διδύμων. Ο ένας μένει στη γη ενώ ο άλλος παίρνει ένα διαστημόπλοιο και κάνει ένα ταξίδι στο διάστημα με πολύ μεγάλες ταχύτητες έχοντας και ένα ρολόι μαζί του. Κατά την επιστροφή του στη γη βρίσκει ότι σύμφωνα με το δικό του ρολόι έχει περάσει πολύ λιγότερος χρόνος από ότι για το δίδυμο αδερφό του που έμεινε στη γη. Ο λόγος που τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως είναι ότι στην ταχύτητα αυτή σταματάει και ο χρόνος.

Οι ιδέες του Einstein μπορεί να μας φαίνονται δύσκολες για να τις δεχτούμε αλλά η Σχετικότητα δεν είναι απλώς μια θεωρία. Όλες οι προβλέψεις της έχουν ελεγχθεί με πραγματικά πειράματα και έχουν επιβεβαιωθεί. Δεν έχει βέβαια σταλεί (ακόμη) κάποιος δίδυμος στο διάστημα αλλά ατομικά ρολόγια ακριβείας που ταξιδεύουν σε υπερηχητικά αεροπλάνα έχει επιβεβαιωθεί ότι μένουν πίσω σε σχέση με όμοια ρολόγια που μένουν στη γη.

Εκλάμψεις ιδιοφυίας.
Το φως μας έχει δώσει τις πιο σημαντικές απαντήσεις στις ερωτήσεις μας για την κατανόηση του Σύμπαντος. Σήμερα η γνώση μας για το Σύμπαν και για την αρχή του ίδιου του χρόνου προέρχονται από το «παλαιό φως» που μόλις τώρα φτάνει στη γη. Επιπροσθέτως η αινιγματική δισυπόστατη φύση του φωτός ως σωματίδιο-κύμα έχει θέσει τα θεμέλια της σημερινής κατανόησής μας του παράξενου κόσμου των κβάντα. Θα δούμε περισσότερα για το θέμα αυτό στο 3ο μάθημα.